CN101853038A - 一种快速响应的恒流源并联系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速响应的并联恒流源系统及其实现方法，系统包括：恒流源并联单元，由多个恒流源模块并联构成，每个模块根据电流给定信号输出相应的电流；系统输出电流检测单元，实时检测恒流源并联单元的输出电流，输出检测到的电流信号；MCU数据处理单元，接收并检测系统输出电流检测单元检测到的电流信号和系统电流设定信号，输出分压比信号；数字电位器，接收MCU数据处理单元发送的分压比信号，确定并输出每个恒流源模块的电流给定信号。本发明实现了由于单个或多个模块故障而退出导致的输出电流变化的快速调节，不需要复杂的控制软件，实现方式比较简单，节约成本，并能够确保系统的输出电流恒定。

Description

一种快速响应的恒流源并联系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种恒流源技术，特别涉及一种低成本、快速响应的恒流源并联系统及其实现方法。

背景技术

恒流源是一种向负载提供恒定电流的电源装置，其特点是在外部电网产生波动和负载阻抗发生变化时仍能保持输出电流恒定。随着电力电子技术和半导体器件的发展，对恒流源输出功率的需求也越来越大，很多场合需要输出电压高达几百伏，输出电流高达几百安甚至上千安，因此，向大容量、高电压、高功率和高可靠性的方向发展是恒流源的必然趋势。

由于器件的限制，单个恒流源的输出功率一般只能达到几十千瓦，满足不了大容量场合的需求，目前解决大容量需求的方法大致有以下两种：1、研制输出更大电流的单体恒流源，该方法受到电力电子技术和功率器件的限制，单个恒流源的输出功率毕竟有限，并且可靠性低，一旦出现故障，负载供电就将中断，此外，大容量的单个恒流源的可维护性和易用性也较低；2、采用模块化恒流源并联系统，多个恒流源并联起来方便扩容，不仅可以满足用户对大容量的需求，而且可以大大提高电源的可靠性、可维护性和易用性。

但是，对于模块化恒流源并联系统来说，当系统中的一个或者多个恒流源模块在运行过程中出现故障而退出系统时，系统能够快速检测到并及时响应以提高其他模块的输出电流来保证整个系统的输出电流恒定，对于需要高精度输出的用户，整个响应过程必须在几毫秒内完成。目前解决该问题的方法一般是采用DSP实时控制技术，如附图1所示，DSP为整个数控部分的核心单元，该系统的原理简述如下：将系统输出电流检测单元输出的电流信号通过A/D转换器转换成数字信号送入DSP数据处理单元，DSP将电流采样值与用户给定电流值进行比较，计算出误差值，然后进行PID控制运算，得出误差调节信号，再经过D/A转换器转换成模拟信号后送至恒流源并联单元进行反馈控制，通过闭环调节使得系统输出电流保持恒定。这种数字控制方案存在的主要问题有：1、对DSP的要求较高，需要采用高性能的DSP芯片来实现，成本高；2、控制算法比较复杂，实现难度较大，并且DSP的电流调节与恒流源模块的电流调节会相互影响，系统很难稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速响应的恒流源并联系统，用于更好地解决由于单个或多个模块故障而退出导致的输出电流变化的快速调节问题。

本发明的另一目的在于提供一种快速响应的恒流源并联系统的实现方法，用于更好地解决由于单个或多个模块故障而退出导致的输出电流变化的快速调节问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种快速响应的并联恒流源系统，包括：

恒流源并联单元，由多个恒流源模块并联构成，其每个恒流源模块根据电流给定信号输出相应的电流；

系统输出电流检测单元，实时检测所述恒流源并联单元的输出电流，并输出检测到的电流信号；

MCU数据处理单元，接收并检测所述系统输出电流检测单元检测到的电流信号和所述并联恒流源系统的电流设定信号，得出所述恒流源并联单元的输出电流值和所述并联恒流源系统的电流设定值，计算二者差值，确定数字电位器的分压比，并输出分压比信号；

数字电位器，接收所述MCU数据处理单元发送的分压比信号，确定输入给每个恒流源模块的电压信号，从而确定送到每个恒流源模块的电流给定信号，并将该电流给定信号输出至恒流源并联单元的各恒流源模块。

根据本发明的另一方面，提供了一种快速响应的并联恒流源系统的实现方法，包括以下步骤：

A、恒流源并联单元的每个恒流源模块根据电流给定信号输出相应的电流；

B、系统输出电流检测单元实时检测恒流源并联单元的输出电流，并输出检测到的电流信号；

C、MCU数据处理单元接收并检测所述系统输出电流检测单元检测到的电流信号和所述并联恒流源系统的电流设定信号，得出所述恒流源并联单元的输出电流值和所述并联恒流源系统的电流设定值，计算二者差值，确定数字电位器的分压比，并输出分压比信号；

D、数字电位器接收所述MCU数据处理单元发送的分压比信号，确定输入每个恒流源模块的电压信号，从而确定送到每个恒流源模块的电流给定信号，并将该电流给定信号输出至恒流源并联单元的每个恒流源模块。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：实现了由于单个或多个模块故障而退出导致的输出电流变化的快速调节，不需要复杂的控制软件，实现方式比较简单，节约成本，并能够确保系统的输出电流恒定。

附图说明

图1是现有技术提供的传统的恒流源并联数字控制方案的示意图；

图2是本发明提供的恒流源并联系统方案的示意图；

图3是本发明提供的恒流源并联系统的实现方法的逻辑流程图；

图4是本发明提供的MCU数据处理单元的处理流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图2显示了本发明提供的恒流源并联系统方案的示意，如图2所示，该恒流源并联系统由恒流源并联单元、系统输出电流检测单元、恒流源电流值设定单元、恒流源电流值设定信号采样单元MCU数据处理单元、数字电位器和恒流源电流值设定信号处理单元构成。恒流源并联单元输出端连接至系统输出电流检测单元，该检测单元的输出端连接至MCU数据处理单元，恒流源电流值设定单元的输出端一方面通过恒流源电流值设定信号采样单元连接至MCU数据处理单元，另一方面通过恒流源电流值设定信号处理单元连接至数字电位器，MCU数据处理单元的输入端连接系统输出电流检测单元和恒流源电流值设定信号采样单元，输出端连接至数字电位器，数字电位器的输出连接至恒流源并联单元的每个恒流源模块。

恒流源并联单元由多个恒流源模块并联构成，接收数字电位器发送的电压信号，根据电压信号确定每个恒流源模块的输出电流，若其中一个或多个恒流源模块因出现故障退出系统，通过系统输出电流检测单元、MCU数据处理单元和数字电位器的处理，提高其他在线模块的输出电流，使得恒流源并联单元中的在线恒流源模块的输出电流之和不变，即保证系统的输出电流恒定。

系统输出电流检测单元用于实时检测恒流源并联单元的输出电流，并将检测到的电流信号输出至MCU数据处理单元。

恒流源电流值设定单元设定并联恒流源系统应输出的电流值，并将恒流源电流值设定信号输出至恒流源电流值设定信号采样单元。

恒流源电流值信号采样单元对接收到的恒流源电流值设定信号进行采样，并向MCU数据处理单元输出电流设定信号。

MCU数据处理单元用于接收并检测系统输出电流检测单元检测到的电流信号和并联恒流源系统的电流设定信号，得出恒流源并联单元的输出电流值和并联恒流源系统的电流设定值，计算二者差值。若差值达到了精度要求，则处理结束，进入下一次循环，数字电位器的分压比保持不变，电流给定信号直接通过数字电位器分压送入各恒流源模块，中间无任何延时；若差值未达到精度要求，则根据差值查询数据表，得出控制数字电位器的分压比信号，传输至数字电位器。数据表通过如下公式建立：

其中，线性斜率和常数的值可根据实际需求确定。

数字电位器接收MCU数据处理单元发送的分压比信号，根据该分压比信号确定分压比及送至每个恒流源模块的电压信号，即送至每个恒流源模块的电流给定信号，并将该电流给定信号输出至恒流源并联单元的每个恒流源模块。

恒流源电流值信号处理单元的输入端连接恒流源电流值设定单元，输出端连接数字电位器，该处理单元接在数字电位器的两端，根据恒流源电流值设定信号调整其输出电流，从而调整数字电位器的工作电流，以保证数字电位器正常的工作电流。

图3显示了本发明提供的恒流源并联系统的实现方法的逻辑流程，如图3所示：

步骤S201，恒流源并联单元的每个恒流源模块根据电流给定信号输出相应的电流。

步骤S202，系统输出电流检测单元实时检测恒流源并联单元的输出电流，并输出检测到的电流信号。

步骤S203，MCU数据处理单元接收并检测系统输出电流检测单元检测到的电流信号和并联恒流源系统的电流设定信号，得出恒流源并联单元的输出电流值和并联恒流源系统的电流设定值，计算二者差值，确定数字电位器的分压比，并输出分压比信号。

其中，恒流源电流值设定单元设定系统应输出的电流值，输出恒流源电流值设定信号，再通过恒流源电流值信号采样单元对恒流源电流值设定信号进行采样，输出电流设定信号。

步骤S204，数字电位器接收所述MCU数据处理单元发送的分压比信号，确定输入每个恒流源模块的电压信号，从而确定送到每个恒流源模块的电流给定信号，并将该电流给定信号输出至恒流源并联单元的每个恒流源模块。

此外，恒流源电流值信号处理单元根据恒流源电流值设定信号调整数字电位器的工作电流，以保证数字电位器正常工作并输出适合的电压信号。

图4显示了本发明提供的MCU数据处理单元的处理流程，如图4所示，当MCU数据处理单元接收到恒流源电流值设定信号采样单元发送的电流设定信号和系统输出电流检测单元发送的输出电流信号时，对电流设定信号和输出电流信号分别进行信号检测，得出电流设定值和输出电流值，再计算二者差值。若差值达到精度要求，处理结束，进入下一次循环；若差值未达到精度要求，MCU数据处理单元通过查询数据表得出控制数字电位器的分压比信号，并将该控制信号输出送至数字电位器，至此处理结束，进入下一次循环。

实施例一：

恒流源电流值设定单元设定系统输出500A的恒流源系统，配置恒流源并联单元中的恒流源模块数量为5个，则每个恒流源模块的输出电流为100A。

MCU数据处理单元中的数据表的建立公式为：

$v=\frac{k\×\mathrm{ni}}{n-m}+a---\left(1\right)$

其中，v表示系统输出电压，n表示恒流源并联单元的恒流源模块总数，i表示每个恒流源模块的输出电流，m表示恒流源并联单元中因出现故障而退出系统的模块数量，k和a的值根据实际应用取值，这里k＝0.02，a＝0.5。

当系统中5个恒流源模块都正常工作时，对应的数字电位器的输出电压v=2.5V，此时对应每个恒流源模块的输出电流为100A。

假设系统运行一段时问以后，有1个恒流源模块因出现故障而退出系统，即m＝1，此时查询MCU数据单元中的数据表，得出对应的数字电位器的输出电压v＝3V，将该电压信号送入每个恒流源模块，则此时在线恒流源模块的输出电流迅速提高到了125A，系统的输出电流为4×125A＝500A，即系统的输出电流恒定不变。

实施例二：

恒流源电流值设定单元设定系统输出800A的恒流源系统，配置恒流源并联单元中的恒流源模块数量为10个，则每个恒流源模块的输出电流为80A。

根据实际应用情况，取值k＝0.04，a＝0.8，则MCU数据处理单元中的数据表的建立公式为：

$v=\frac{0.04\×\mathrm{ni}}{n-m}+0.8---\left(2\right)$

其中，v表示系统输出电压，n表示恒流源并联单元的恒流源模块总数，i表示每个恒流源模块的输出电流，m表示恒流源并联单元中因出现故障而退出系统的模块数量。

若10个恒流源模块都正常工作，对应的数字电位器的输出电压v＝4V，此时对应每个恒流源模块的输出电流为80A。

假设系统运行一段时间以后，有2个恒流源模块因出现故障而退出系统，即m＝2，此时查询MCU数据单元中的数据表，得出对应的数字电位器的输出电压v＝4.8V，将该电压信号送入每个恒流源模块，则此时在线恒流源模块的输出电流迅速提高到了100A，系统的输出电流为8×100A＝800A，即系统的输出电流恒定不变。

综上所述，本发明具有以下技术效果：1、控制电路简单，采用数字电位器和MCU结合，对MCU的资源和性能要求很低，无需D/A转换电路，实现的成本很低；2、在系统中没有模块发生故障的情况下，数字电位器的分压比是保持不变的，电流给定信号直接由数字电位器分压送给各个模块，中间没有任何的延时，使系统的输出电流紧紧跟随电流给定信号的变化；3、对数字电位器的控制采用查表的方式，对故障的响应速度非常快，当系统中某个模块出现故障或不工作时，系统会立即做出反应，改变数字电位器的分压比，迅速调整每个模块的输出电流，保证系统的输出电流恒定，响应时间可以达到毫秒级；4、MCU的控制软件非常简单，便于实现，同时是滞环控制，系统的工作非常稳定。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种快速响应的并联恒流源系统，其特征在于，包括：

恒流源并联单元，由多个恒流源模块并联构成，其每个恒流源模块根据电流给定信号输出相应的电流；

系统输出电流检测单元，实时检测所述恒流源并联单元的输出电流，输出检测到的电流信号；

MCU数据处理单元，接收并检测所述系统输出电流检测单元检测到的输出电流信号和所述并联恒流源系统的电流设定信号，得出所述恒流源并联单元的输出电流值和所述并联恒流源系统的电流设定值，计算二者差值，确定数字电位器的分压比，输出分压比信号；以及

数字电位器，接收所述MCU数据处理单元发送的分压比信号，确定输入至每个恒流源模块的电压信号，从而确定送至每个恒流源模块的电流给定信号，并将该电流给定信号输出至恒流源并联单元的各恒流源模块。

2.根据权利要求1所述的一种快速响应的并联恒流源系统，其特征在于，所述并联恒流源系统还包括恒流源电流值设定单元，该单元用于设定所述并联恒流源系统应输出的电流值，输出恒流源电流值设定信号。

3.根据权利要求2所述的一种快速响应的并联恒流源系统，其特征在于，所述并联恒流源系统还包括恒流源电流值信号处理单元，其输入端连接恒流源电流值设定单元，输出端连接数字电位器，该处理单元根据所述恒流源电流值设定信号调整数字电位器的工作电流。

4.根据权利要求2所述的一种快速响应的并联恒流源系统，其特征在于，所述并联恒流源系统还包括恒流源电流值信号采样单元，用于对所述恒流源电流值设定信号采样，输出电流设定信号。

5.根据权利要求1所述的一种快速响应的并联恒流源系统，其特征在于，所述MCU数据处理单元包括一个数据表，当恒流源并联单元的输出电流值与电流设定值的差值未达到精度要求时，MCU根据所述差值查询数据表，得出控制数字电位器的分压比信号，传输至数字电位器。

6.根据权利要求5所述的一种快速响应的并联恒流源系统，其特征在于，所述数据表通过如下公式建立：

其中，线性斜率和常数的值可根据实际需求确定。

7.一种快速响应的并联恒流源系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、恒流源并联单元的每个恒流源模块根据电流给定信号输出相应的电流；

B、系统输出电流检测单元实时检测恒流源并联单元的输出电流，并输出检测到的电流信号；

C、MCU数据处理单元接收并检测所述系统输出电流检测单元检测到的电流信号和所述并联恒流源系统的电流设定信号，得出所述恒流源并联单元的输出电流值和所述并联恒流源系统的电流设定值，计算二者差值，确定数字电位器的分压比，并输出分压比信号；以及

D、数字电位器接收所述MCU数据处理单元发送的分压比信号，确定输入每个恒流源模块的电压信号，从而确定送至每个恒流源模块的电流给定信号，并将该电流给定信号输出至恒流源并联单元的每个恒流源模块。

8.根据权利要求7所述的一种快速响应的并联恒流源系统的实现方法，其特征在于，所述并联恒流源系统的实现方法还包括以下步骤：

恒流源电流值设定单元设定所述并联恒流源系统应输出的电流值，输出恒流源电流值设定信号；

恒流源电流值信号采样单元对所述恒流源电流值设定信号进行采样，并输出电流设定信号；以及

恒流源电流值信号处理单元根据所述恒流源电流值设定信号调整数字电位器的工作电流。

9.根据权利要求7所述的一种快速响应的并联恒流源系统的实现方法，其特征在于，所述MCU数据处理单元通过计算恒流源并联单元的输出电流值与电流设定值的差值确定数字电位器的分压比的处理包括以下步骤之一：

若恒流源并联单元的输出电流值与电流设定值的差值未达到精度要求，MCU根据所述差值查询数据表，得出控制数字电位器的分压比信号，传输至数字电位器；以及

若恒流源并联单元的输出电流值与电流设定值的差值达到精度要求，MCU处理结束，数字电位器的分压比保持不变。

10.根据权利要求9所述的一种快速响应的并联恒流源系统的实现方法，其特征在于，所述数据表通过如下公式建立：

其中，线性斜率和常数的值可根据实际需求确定。

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